Genetyczna regulacja rozwoju 

drosophila melanogaster

  Szymon Madej  grupa 16

Drosophila melanogaster – organizm modelowy

* Rozwój trwa 9 dni (w ciągu 20 h opuszczenie 
kapsuły jajowej przez larwę, 8 dni do 
przepoczwarzenia)

* ciało dorosłego osobnika składa się z 
czternastu segmentów:
  - trzech segmentów głowy (C1 – C3)
  - trzech segmentów tułowia (T1 – T3)
  - ośmiu segmentów odwłoka (A1- A8)

* Drosophila Melanogaster jest źródłem 
informacji na temat natury i działania genów 
regulujących rozwój

* wiedza oparta na badaniu mutacji owada

Hierarchiczny układ genów

* geny regulatorowe tworzą ścisły 
układ hierarchiczny

* Geny wyższej kategorii regulują 
ekspresją (aktywność) genów 
należących do grup podrzędnych

* Wzajemne oddziaływanie na siebie 
genów należących do jednej grupy

*Geny nie mają wpływu na aktywność 
genów zlokalizowanych na wyższych 
piętrach hierarchicznych 

Ogólny podział genów regulujących 

rozwój Drosophila Melanogaster- trzy klasy, 
podane w kolejności hierarchicznej, różniące 
się między sobą organizacją molekularną, 
funkcją oraz sposobem działania:

* Geny matczyne (mateczne)

* Geny segmentacji

* Geny homeotyczne

Geny matczyne

 * Najwyższa pozycja w układzie 
    hierarchicznym     

*główne zadania:
 - wyznaczenie głównych osi jaja
 - wykształcenie gradientów wzdłuż osi przód- 
       -tył oraz góra- dół (wstępny wzór rozwoju)

* Dzieje się to w oogenezie

* Geny te rozpoczynają swoje działanie jeszcze przed zapłodnieniem. 

Ich transkrypcja ma miejsce w organizmie samicy, następnie 
mRNA zostaje zdeponowane w oocycie

*najważniejsze geny matczyne:

 - gen bicoid- wyznacza przedni koniec ciała, jego stężenie 

maleje ku tyłowi. Warunkuje prawidłowy rozwój głowy i tułowia

- gen nanos- wyznacza tylną część jaja, stężenie maleje ku 

przodowi. Wpływa na poprawny rozwój odwłoku 

- gen dorsal- wyznacza część grzbietową jaja

- gen cactus- ustala część brzuszną

- Gen torso- determinuje powstawanie struktur końcowych: 

akronu i telsonu 

Mutacje genów matczynych

Przykład:
        Mutacja genu bicoid powoduje, iż larwa 

Drosophila pozbawiona jest części głowowej i 
tułowiowej.

          Mutacji tej można zaradzić, wstrzykując do 

przedniej części zarodka prawidłowego mRNA tego 
genu.

          Wstrzyknięcie zaś mRNA genu bicoid do tylnej 

części zarodka prowadzi do powstania organizmów o 
podwójnej zawiązce głowy – z przodu i tyłu.

Geny segmentacji

* Jest ich ponad 20
* Ulegają ekspresji po zapłodnieniu, pod wpływem genów matecznych 
* Decydują one o podziale zygoty na szereg powtarzających się 

segmentów

        * Jak działają? 
   Najpierw działają geny powodujące podział na 3 duże rejony, 

następnie kaskada genów o coraz to bardziej lokalnym, a tym 
samym dokładniejszym działaniu.

Geny segmentacji dzielimy na 3 grupy:
     - geny ubytku (geny gap)
     - geny reguły parzystej (pair rule)
     - geny polarności segmentów

Geny ubytku (geny gap)

* jest ich 6: giant, tailless, huckebein, Kruppel, knirps, hunchback

* Nazwa pochodzi od skutków ich mutacji, które powodują 

powstawanie „przerwy” (ang. gap) w organizacji larwy

* Ich rolą jest określenie szerokich okolic w organiźmie tj. głowy, 

tułowia i odwłoku

* Są aktywowane przez białka syntetyzowane dzięki obecności 

genów matecznych                                                                         
                                    np. gen hunchback jest regulowany 
dodatnio przez białko bicoid, tak więc ekspresja tego genu ma 
miejsce z przodu jaja i maleje ku tyłowi.

* Wpływają nawzajem na swoją ekspresję poprzez białka, 

wyznaczając granice regionów ekspresji                                        
                                                        np. białko hunchback 
wyznacza terytorium, na którym transkrybowane są inne białka 
gap(giant, Kruppel i knirps), a ich rozmieszczenie zależy od jego 
stężenia 

Geny reguły parzystej (pair rule)

 * Jest ich w sumie 8
 
* dzielimy je na :
      - pierwotne geny pair rule – czyli takie, które są pod 

kontrolą białek kodowanych przez geny gap (even skipped, 
hairy, runt)

      - wtórne geny pair rule- będące pod kontrolą trzech 

pierwotnych. Należą do nich: fushi-tarazu, odd-paired, odd-
skipped, sloppy-paired, paired

 
* geny pair rule ulegają ekspresji periodycznie tzn. w strefach 

odpowiadających co drugiemu parasegmentowi – jedne w 
obszarach parasegmentów parzystych, inne nieparzystych, 
skąd wywodzi się ich nazwa 

Geny polarności segmentów

 * jest ich osiem: engrailed, wingless, cubitus 

interrutus, hedgehog, fused, armandillo, patched, 
gooseberry 

 
 * W tym stadium z syncytium powstają komórki
 
* odpowiadają za polaryzację 14 segmentów u 

Drosophila Melanogaster

 
 * to, gdzie są aktywowane poszczególne geny 

polarności segmentów określają białka kodowane 
przez geny pair- rule

Mutacje genów segmentacji

Mutacje w obrębie genów:
 * 

Krüppel- brak wszystkich segmentów głowowych i 

tułowiowych 1-5

 

* 

Even- skipped- brak wszystkich segmentów 

parzystych

 

* 

Knirps – brak parasegmentów 10- 14

 

* 

Fushi –tarazu – zbyt mała liczba segmentów

 

Geny homeotyczne

  * 

najniższa, choć równie ważna pozycja w układzie 

hierarchicznym genów regulujących rozwój Drosophila 
Melanogaster 

   * odpowiadają za specjalizację segmentów i wykształcenie w ich 

obrębie charakterystycznych dla nich narządów

   * kontrolują tożsamość i położenie segmentów, ale nie wpływają 

na ich liczbę, wielkość lub orientację

   * u D. Melanogaster zlokalizowane na trzecim chromosomie
    * podział na 2 grupy:
           - kompleks Antennapedia (ANT- C)
           - kompeks bithorax (BX- C)

Charakterystyczne cechy genów homeotycznych

 * Zasada kolinearności – zbieżność między kolejnością ułożenia 

genów homeotycznych na terenie chromosomu i porządkiem ich 
ekspresji w obrębie stref umieszczonych kolejno wzdłuż przednio-
tylnej osi zarodka

 
* dominacja tylna (supresja fenotypowa)- mechanizm wzajemnej 

regulacji ekspresji (hamowanie ekspresji genów aktywnych bliżej 
przedniego obszaru zarodka przez produkty genów ulegających 
ekspresji w strefach położonych bardziej z tyłu) 

 
* wszystkie g. homeotyczne zawierają sekwencję 180 par zasad – 

homeoboks kodujący peptyd zbudowany z 60 aminokwasów

 
* ekspresja regulowana przez białka kodowane przez geny gap i pair-

rule

 

Kompleks antennapedia (ANT- C)

* 

obejmuje 5 genów: labial, Deformed, proboscipedia, Sex combs 
reduced, Antennapedia

 * Ich ekspresja określa przebieg morfogenezy przednich 

parasegmentów- do piątego włącznie , determinując struktury 
głowy i tułowia

 
 

Przykład mutacji w obrębie kompleksu

:

   -mutacja Antennapedia- powoduje , że w zamiast
   czułek, na głowie owada wyrastają odnóża

Kompleks bithorax (bx- c)

 * tworza go geny: abdominal A, abdominal B
           i Ultrabithorax
  * komples ten odpowiada za determinację struktury 
          trzeciego segmentu tułowiowego oraz odwłoka

          

       

Przykłady mutacji w obrębie kompleksu: 

                  - Mutacja Bithorax -powoduje powstanie 
             dodatkowego segmentu tułowiowego zaopatrzonego w 

całkowicie 

                 rozwinięte skrzydła

Pamięć komórkowa

 * Po ekspresji wszystkich genów polarności, segmentacji oraz 

homeotycznych ważny staje się problem utrzymania wzorów 
ekspresji genów, który ustalił się na samym początku.

 * w procesie podtrzymywania „pamięci komórkowej” uczestniczą 

białka dwóch grup, składające się na kompleksy białkowe:

                  - trithorax (trx- G) – pełniące w chromatynie funkcje 

aktywatorów                  transkrypcji

                  - Polycomb (Pc- G) – pełniące funkcję represorów

 * dzięki nim w danych obszarah zarodka zostaje zachowana 

odpowiednia ekspresja danych genów

bibliografia

1. „Podstawy genetyki dla studentów i lekarzy” pod 

redakcją G. Drewy i T. Ferenca

2. „Genetyka molekularna” Piotr Węgleński
3. „Genetyka. Ilustrowany przewodnik” Eberhard 

Passarge